[发明专利]基于二维寻优的燃煤机组对流受热面智能吹灰方法

摘要

本发明提供一种基于二维寻优的燃煤机组对流受热面智能吹灰方法，包括：计算对流受热面的理想换热系数；利用分布式计算模型计算对流受热面的实际换热系数；基于实际换热系数实时计算表征对流受热面清洁状况的灰污系数，并建立历史数据库，同时确定从上一次吹灰结束开始灰污系数达到稳定的时间；对灰污系数计算式中参数进行辨识，确定灰污系数计算式；求解使吹灰经济效益最大的最优化问题，得到从上一次吹灰结束后的最佳吹灰时间间隔和最佳吹灰时长，并代入灰污系数计算式计算得到特定负荷下临界灰污系数，据此确定最佳吹灰时机和吹灰终止点。本发明可用于在线监测对流受热面的清洁状况，为机组节能增效技术支撑。

主权项

1.一种基于二维寻优的燃煤机组对流受热面智能吹灰方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一、利用分布式计算控制系统实测数据中的工质和烟气的质量流量，结合换热管的内、外径结构尺寸，根据对流换热系数的定义计算对流受热面的理想换热系数；步骤二、根据工质物性参数数据库及分布式计算控制系统数据库中的实测数据，计算当前时刻汽水分离器出口饱和蒸汽比焓和密度，在默认各级换热器相邻关键测点之间工质的温度、压力呈线性分布的条件下，首先将每一层的实际换热管束等效为一根换热管，再按固定离散化步长将等效换热管束划分为一系列微元，建立分布式计算模型，计算各换热管束微元的实际换热系数，得到对流受热面沿烟气流动方向各层等效换热管束的层实际换热系数，所有层实际换热系数的均值即为该对流受热面的实际换热系数；步骤三、利用理想换热系数和实际换热系数计算表征对流受热面清洁状况的灰污系数实时值，并将其存入历史数据库，同时确定从上一次吹灰结束开始，灰污系数达到稳定的时间T_min，将既满足距上一次吹灰结束后T_min时间以上又满足负荷平稳条件的灰污系数实时值存入参数辨识数据库；步骤四、对参数辨识数据库中不同平稳负荷下灰污系数实时值进行小波变换，然后对灰污系数计算式中的各参数进行辨识，得到不同平稳负荷下灰污系数计算式；步骤五、求解有约束条件下吹灰经济效益的最优化问题，得到从上一次吹灰结束后的最佳吹灰时间间隔τ_lj和最佳吹灰时长t_lj，将最佳吹灰时间间隔τ_lj代入对应负荷下的灰污系数计算式得到该负荷下的临界灰污系数；计算灰污系数实时值与临界灰污系数的相对偏差δ，若其值小于设定值，则认为达到了最佳吹灰时机，给出启动吹灰的建议，吹灰时长为t_lj，从而实现燃煤机组对流受热面智能吹灰；步骤一中，所述理想换热系数K_lx由式(1)确定：式中，h_q和h_y分别表示工质侧和烟气侧对流换热系数，W/(m²·K)，由传热学原理可知：式中，λ_q和λ_y分别表示工质和烟气的导热系数，W/(m·K)；ρ_q和ρ_y分别表示工质和烟气的密度，kg/m³；V_q和V_y分别表示工质和烟气的流速，m/s；μ_q和μ_y分别表示工质和烟气的粘度，Pa·s；c_q和c_y分别表示工质和烟气的比热容，kJ/(kg·K)；d₁和d₂分别表示换热管的外径和内径，m；步骤二中，逆烟气流程逐层计算实际换热系数时采用两点假设：第一点，工质温度和压力沿流动方向呈线性分布；第二点，每一层等效换热管束不同位置的清洁状况相同；由第一点假设，对于第i层等效换热管束，有：式中，t_i表示第i层等效换热管束出口工质温度，K；t’表示对流受热面入口工质温度，K；t”表示对流受热面出口工质温度，K；p_i表示第i层等效换热管束出口工质压力，kPa；i表示换热管束的第i层，i＝1,2,…,m；m表示换热管束的层数；p_out表示换热设备出口工质压力，kPa；p_in表示对流受热面进口工质压力kPa；计算出每一层等效换热管束进出口工质的温度和压力后根据温焓表得到每一层等效换热管束进出口工质的焓值，从而计算出每一层等效换热管束内工质的吸热量ΔQ_i：式中，ΔQ_i表示第i层等效换热管束中工质吸收的热量，kW；Q表示该对流受热面中工质的总吸热量，kW；h_i表示第i层等效换热管束出口工质焓值，kJ/kg；h_i+1表示第i+1层等效换热管束出口工质焓值，kJ/kg；h_m表示第m层等效换热管束出口工质焓值，kJ/kg；式中，h_y(i)表示第i层等效换热管束出口烟气焓值，kJ/kg，由第i‑1层等效换热管束热平衡计算逆推而来；h_y(i+1)表示第i层等效换热管束进口烟气焓值，kJ/kg；D_y表示烟气质量流量，kg/s；计算得到了第i层等效换热管束进口烟气焓值h_y(i+1)后，再根据烟气温焓表计算得第i层等效换热管束进口烟气温度θ_i’，依此类推求得对流受热面每一层等效换热管束进出口烟气温度；然后将每层等效换热管束按设定的离散化步长分成若干换热管束微元，由于每一个微元之间的物性差异以及温度压力差异均不大，对每一个微元建立集总参数模型，进行传热分析及计算；微元由循环变量j标记，j＝1,2,....n，n表示第i层等效换热管束的微元总数，显然，第j个微元距离入口为离散化步长*j米；由上述第二点假设，每一层等效换热管束的清洁状况相同，则同一层的所有微元实际换热系数相同，且每一个微元的换热面积也相同，则有：ΔQ_i,j＝K_iF₀Δt_i,j                           (8)式中，ΔQ_i，j表示第i层等效换热管束第j个微元的吸热量，W；K_i表示第i层等效换热管束的实际换热系数，W/(m²·K)；F₀表示每个微元的换热面积，m²；Δt_i,j表示第i层等效换热管束第j个微元的传热温压，K；对于每一个微元而言，工质和烟气的温度变化量不大，用算数平均温差近似代替对数平均温差，即：式中，t'_i,j表示第i层等效换热管束第j个微元的工质进口温度，K；t”_i,j表示第i层等效换热管束第j个微元的工质出口温度，K；θ‘_i表示第i层等效换热管束的烟气进口温度，K；θ”_i表示第i层等效换热管束的烟气出口温度，K；第i层等效换热管束的换热量ΔQ_i：结合式(8)～(10)得到第i层等效换热管束的换热系数K_i，W/(m²·K)：式中，n表示第i层等效换热管束的微元总数；t’_i,1表示第i层等效换热管束第1个微元的工质进口温度，K；t’_i+1,1表示第i+1层等效换热管束第1个微元的工质进口温度，K；再对每一层的换热系数取平均值得到表征该对流受热面整体换热性能的实际换热系数K_sj，W/(m²·K)：步骤三中，所述的灰污系数实时值根据灰污系数定义式(15)计算得到：上式中：ε为灰污系数，为无量纲系数；K_sj为对流受热面整体换热性能的实际换热系数K_sj，W/(m²·K)；K_lx为特定负荷下的理想换热系数，W/(m²·K)；一方面将计算所得灰污系数实时值存入历史数据库，并确定从上一次吹灰结束开始，灰污系数达到稳定的时间T_min；另一方面，将上一次吹灰结束后T_min时间以上平稳负荷段的灰污系数实时值存入参数辨识数据库，以一时间窗口对参数辨识数据库中不同负荷下的灰污系数数据进行滚动更新，保证以此数据辨识得到的灰污系数计算式与机组设备性能和运行条件相符；步骤四中，所述的灰污系数ε用只随时间变化的计算式表示：ε＝ε₀+a(1‑e^‑Cτ)                          (14)式中，ε₀表示最小灰污系数，为无量纲系数；a表示灰污沉积常数，为无量纲系数；C表示时间系数，h^‑1；τ表示以上次吹灰结束时刻为计时起点的时间，h；e表示自然常数；从参数辨识数据库中调用特定负荷下的灰污系数数据，对其进行5层小波变换去噪，再利用非线性拟合方法辨识式(14)中的各项参数，即确定对流受热面特定负荷下的灰污系数计算式；考虑吹灰时长情况下，步骤五所述的灰污系数ε计算式表示为时间的函数：式中，ε₀表示最小灰污系数，为无量纲系数；a表示灰污沉积常数，为无量纲系数；C表示时间系数，h^‑1；τ表示以上次吹灰结束时刻为计时起点的时间，h；t为吹灰时长，h；τ₀为吹灰时间间隔，h；K_sj为对流受热面整体换热性能的实际换热系数K_sj，W/(m²·K)；K_lx为特定负荷下的理想换热系数，W/(m²·K)；e表示自然常数；以吹灰时长t和吹灰时间间隔τ₀为自变量，以吹灰的净收益为目标函数：式中，F表示低温再热器的总换热面积，m²；Δt表示对数平均温差，K；E_m表示煤价，元；LHV表示低位发热量，MJ/kg；K_lx表示特定负荷下的理想换热系数，W/(m²·K)；τ₀为吹灰时间间隔，h；t表示完成一次吹灰的时长，s；m_q表示一次蒸汽消耗量，kg/s；B_j表示计算燃煤量，kg/s；D_m表示每产生1kg蒸汽需要的燃煤量，kg/kg；P₀表示电动机功率，kW；E_d表示电价；E_wx表示每支吹灰器每次使用的成本；τ表示以上次吹灰结束时刻为计时起点的时间；Δτ表示考察时间；由工程运行经验可知24h内的吹灰次数不多于15次，吹灰时长与吹灰器进退速度V(m/s)和行程S(m)有关，必在某一区间范围内，则上述目标函数的约束条件为：其中，N^*表示自然数；通过计算不同的自变量组合下的目标函数值，得到使得目标函数取得最大值时的最佳吹灰时间间隔τ_lj和最佳吹灰时长t_lj，将τ_lj代入灰污系数计算式(14)，即求得特定负荷下的临界灰污系数ε_lj：在实际运行工况下，如果某些负荷下没有T_min时间以上的平稳运行数据，无法通过上述步骤计算得到该特定负荷下的灰污系数上限值，步骤五中的不同负荷下的灰污系数上限值则利用已知的灰污系数上限值根据负荷大小进行插值计算得到。